立方星具有发射成本低、周期短、尺寸小和功率小等优点，非常适合某些创新技术率先验证、星载一体化或者以分布式空间网络的方式提供遥感与通讯等服务，例如星座和编队飞行等。鉴于此，设计一个适用于3U立方星平台的相机光学系统。首先通过对不同光学系统结构进行对比分析，确定系统采用同轴折反式结构，该系统的焦距为460 mm，视场角为4°，工作波段为450~700 nm。然后通过分析系统的传递函数，得到系统口径与遮拦比之间的对应关系，确定口径为92 mm，F数为5。最后对系统进行优化，系统以卡式系统为原型，主、次镜为曼金镜，优化后各视场的像质均接近衍射极限，在奈奎斯特频率处传递函数优于0.3。

为了给立方体卫星星载GPS定轨数据提供检核标准, 并满足高精度测定轨道的应用要求, 通过在10 cm×10 cm×10 cm的标准立方体卫星的每个表面分布3个通光口径为1.0 cm的微小激光反射器, 设计了质量约为108 g、视场角满足360°、测距精度可达厘米级的激光测距合作目标。根据角锥棱镜的二面角误差、反射面面形误差及入射面面形误差所引起的光束附加相位, 分析角锥棱镜在远场的衍射分布特性; 接着, 根据激光合作目标在卫星上的分布方式, 计算激光合作目标的相对有效面积分布; 然后, 利用激光测距方程估算不同轨道高度的立方体卫星激光反射器回波光子数, 并根据卫星质心改正模型估算激光测距精度; 最后, 以皮卫星激光合作目标测距试验为例, 验证了装载在卫星上的1.0 cm微小激光反射器能够反射回足够的激光回波信号。结果表明, 此种分布方式对于运行在250～1 000 km轨道上的立方体卫星能够提供足够的回波信号, 激光测距内精度可达厘米级, 满足立方体卫星对激光测距合作目标质量轻、分布灵活、测距精度高的要求。

为实现"翱翔之星"立方星在轨可靠分离, 达到初始分离速度和姿态的要求, 设计了立方星星箭分离机构运动系统并进行了实验验证。提出了一种利用分离弹簧推动立方星打开舱门, 并采用弹簧销轴完成舱门锁定的运动系统结构方案。首先, 基于能量守恒定理确定了分离弹簧的结构参数; 其次, 建立了星箭分离过程中立方星与舱门的运动耦合系统动力学模型, 并利用MATLAB软件进行了数值仿真; 最后, 对星箭分离机构样机进行了地面分离试验。实验结果显示, 实际分离过程与数值仿真结果基本一致, 实现了立方星无干涉分离及舱门的可靠锁定。该星箭分离机构成功实现了"翱翔之星"立方星的在轨分离, 卫星下传数据表明其初始分离速度为1.08 m/s, 三轴角速度均小于2(°)/s, 完全满足立方星初始分离速度和姿态的要求,可为后续立方星星箭分离机构的标准化设计提供参考。

针对立方体钠卫星GNC信息处理系统高计算性能与低功率消耗相矛盾的问题, 提出了一种资源限制型可重构并行信息处理方法。该方法采用紧耦合可重构并行信息处理架构, 将GNC信息处理中需要多次迭代计算且不适合CPU处理的复杂软件算法, 以动态部分重构硬件电路单元(DPR)的方式实现, 采用基于互斥量的多核并行可重构资源调度算法, 通过多核CPU并行管理与调度共享的DPR单元, 完成软件算法的硬件加速与优化。实验结果表明, 该方法实现了立方星GNC信息处理系统的高效实时快速处理, 与传统信息处理方法相比, 可节约50%左右的功耗, 可应用于计算资源极为有限的星上信息处理领域, 具有很好的工程应用前景。